TWI354347B - Fast substrate loading on polishing head without m - Google Patents

Description

1354347 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之實施例係關於將基材裝載於承載頭（carrier head)上的方法與裝置。 【先前技術】

次微米多層金屬化為下一代超大型積體電路（ultra large-scale integrati〇n ; UL SI)之關鍵技術之一。此技術核 心的多層内連線（interconnect)需要使形成於高深寬比 (high aspect ratio)孔洞中的内連線特徵結構（feature)進行 平坦化’其中該孔洞包含接觸孔（c〇ntact) '導孔（via)、溝 槽（trench)及其他特徵結構。這些内連線特徵結構之可靠形 成對於ULSI的成功是非常重要的，並且對於個別基材與 晶粒之電路密度以及品質的增加之持續努力也是相當重要 的。

平坦化製程一般係使用化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing ; CMP) 或電化學機械沉積 (electrochemical mechanical deposition ; ECMP)。平坦化 方法通常要求將基材裝設在一承載頭上，使待研磨的基材 表面暴露出來。然後由承載頭所支撐的基材係緊靠一旋轉 研磨墊。用以支撐基材之承載頭亦可旋轉，以在基材與研 磨塾表面之間提供額外之作動。 在平坦化之過程中，基材通常藉由真空吸引（vacuum chuck)之方式而被裝設在一承載頭上。承載頭通常具有一 5 1354347

彈性膜，其係提供一安裝表面而用以自基材背 材。彈性膜可具有一或多個連接至流體源的腔室 體（例如為空氣）唧打入腔室中時，腔室的體積 而彈性膜將被迫向下。另一方面，當將流體抽出 時，腔室的體積減小，而彈性膜則被迫向上。為 基材，承載頭通常移動至彈性膜為接近基材背 置。藉由將流體唧打至腔室中而使彈性膜降低， 表面緊靠於基材之背側。然後，將流體自腔室中 致彈性膜往内彎曲，因而在安裝表面與基材背側 一低壓區。此低壓區則將基材真空吸附至承載頭 第1 A-B圖係概要繪示使用於目前技藝系統 的基材裝載過程。一基底構件102係通常適用於 (未顯示）。一彈性膜1 05係裝設於基底構件1 02 供有一基材安裝表面106。彈性膜105具有一中央 以及一邊緣腔室1 0 4。中央腔室1 0 3係設置以將 1 0 6推出或吸入。邊緣腔室1 0 4 —般係設置以在 中在一基材101邊緣附近形成密封。 如第1A圖所示，中央腔室103與邊緣腔室 藉由流入流體而膨脹，因而使得安裝表面1 0 6壓括 之背側1 07。隨著邊緣腔室1 04之體積增加，安裝 與背側1 0 7之間於接近邊緣處會形成密封。如第 示，可在密封形成後，藉由抽出流體而使中央腔 縮。中央腔室103之收縮會導致安裝表面106向 由於安裝表面106邊緣所存在之密封，因此隨著 側接收基 。當將流 會增加， 至腔室外 了裝載一 側之一位 並使安裝 抽出，以 之間產生 〇 之一典型 一承載頭 上，並提 腔室103 安裝表面 裝載過程 104兩者 ，基材1 01 表面106 1B圖所 室103收 上移動。 安裝表面 6 ⑶4347 1 06 表面 101 緣附 上拉 至有 必須

點 〇 會導 移動 【發 骐之

該裝 置以 部。 膜之 收縮 方法 向上移動而迫使基材101緊靠安裝表面1〇6 1 06與背側1 07之間會形成一低壓空間或真 因此密封地裝載在彈性膜105上P因為基材 近被向下推而形成密封，而在靠近中央處被 ’故基材101處於弓形變形，其對基材引入 時會使基材破裂》—相對大量之流體（例如才 被移動以使腔室膨脹以及從膨脹之腔室抽真 因此，如上所述之典型基材裝載程序具有至 —方面，裝載之基材通常經歷高的弓形變形 致基材破裂。另一方面’彈性膜之膨脹以及 相當大量之流體體積，因而會花費額外之時 因此，係需要_種改善基材裝載程序之裝置 明内容】 有鑑於此，本發明係提供用於將基材裝載於 承栽頭上的改良方法與裝置。 於—實施例中，係提供-種用於支撐一基材 f包含—基底構件以及-彈㈣。基底構件 提供基材之支撐的底面，以及形成於底面之 彈性膜係裝設在基底構件卜，# 士 何1干上，其中在基底構 間係形成一中央腔室，Β Α Α Λ 虹至，且中央腔室可藉由一 〇 於另一實施例中，係提供—接田认古〜 π択一種用於真空吸弓丨 。該方法包含：排空彈性膜的中央腔室，其 時，安裝 空。基材 101在邊 真空力向 應力*甚 Ε制氣體） 乞。 少兩個缺 ，且偶爾 收縮需要 !日1。 薄方法。 具有彈性 的裝置。 具有一設 複數個凹 件與彈性 真空源而 一基材的 中彈性膜 7 1354347

係設置以裝設一基材；移動基材，藉此，基材之背 彈性膜完全接觸；以及對中央腔室進行抽真空，以 之背側真空吸引至彈性膜上。 再一實施例中，係提供一種用於裝載基材的方 方法包含：提供用以支撐基材的基底構件；提供裝 底構件上的彈性膜，其中彈性膜與基底構件形成一 室；推動基材以使其抵靠彈性膜，以協助排空該中4 以及藉由抽空該中央腔室而使基材真空吸引至彈性 【實施方式】 為讓本發明上述的特徵更明顯易懂，配 例與所附圖式，作詳細說明如下。然值得注意的是 圖式僅說明本發明的較佳實施例，而並非用ΐ 本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發曰 神和範圍内，當可作更動與淵飾。 為了容易了解，圖示中相同之元件符號係對應 元件。實施例中所揭露之元件可被利用於其他未詳 施例中。 本發明係提供一種用以改善與加速基材裝載程 置與方法。本發明之裝置大體而言包括具有一支撐 基底構件，以及形成於該支撐面上之複數個凹部。 膜係大致安裝於該基底構件上，並形成一或多個腔 裝載基材之前，該一或多個腔室通常被排空（vent)。 基材係放置以與彈性膜接觸，並且推抵彈性膜，藉 側係與 將基材 法。該 設於基 中央腔 •腔室； 漢上。 合實施 ，所附 (限定 ?之精 於相同 述之實 序的裝 面之一 一彈性 室。在 然後， 以再進 8 1354347 一步地排空該一或多個腔室。基材可被推動直至彈性膜與 基底構件之支撐面接觸，且基材由基底構件所支撐為止。 接著，腔室可被抽真空，以於彈性膜與基材之間形成複數 個低壓區，因此，基材則裝載於彈性膜上。在此配置中， 基材由支撐面所支撐，因此可以避免應力和破裂現象發 生。抽真空之動作係作用於已排空之腔室，因此，在裝載 過程中較少之流體會被移動。

第2圖係繪示根據本發明之一實施例的承載頭2 0 0與 基材支撐件201的剖面視圖。在研磨或其他程序期間，承 載頭200通常係配置以夾持一基材204。在研磨過程中， 承載頭200可夾持一基材204而使其抵靠研磨墊，並且將 一向下壓力均勻分佈於基材204之背面202。

承载頭 200通常包含一外殼214、一基底組件220、 一負載室221以及一定位環 211。在美國專利第6,183，354 號（發明名稱為「用於化學機械研磨之具有彈性膜的承載 頭」）以及美國專利申請序號第11/054,128號（於2005年2 月8日申請，專利名稱為「具有彈性膜的多腔室承載頭」） 之文獻、中，可發現類似之承載頭的詳細描述，在此將其全 文納入以供參考。 外殼214之形狀大體為圓形，其可連接至驅動轴（未顯 示）而在研磨過程中與其一同旋轉或掃掠。垂直鑽孔 219 係穿設於外殼2 1 4，以使基底組件2 2 0可以垂直運動。 基底組件220為一可垂直移動之組件，其位於外殼214 之下方。基底組件220包含一大致堅硬的環狀體222、一 9 1354347 外夾環2 1 5以及一平衡桿（gimbal r〇d)2丨8，該平衡桿2丄8 係沿著鑽孔21 9而垂直地滑動，以提供基底組件22〇之垂 直作動。

負載室221係位於外殼214與基底組件220之間，以 施加一負載（例如一向下之壓力或重量）給基底組件22〇。 基底組件220之垂直位置亦由負載室221控制。_大致呈 環形的滚動膜片216之内緣可藉由一内夾環217而夹甜於 外殼2 1 4。滾動膜片2 1 6的外緣可藉由外夾環2丨5而夾鉗 於棊底組件220。定位環211可為一大致環形的環，並且 固定於基底組件220的外緣上。當將流體唧打入負載室^ 中時’基底組件220則被向下推動。

基底組件220更包含一基底構件2〇8，而基底構件 係設置以支撐一基材於其上。基底構件2〇8可連接至一基 桿213，該基桿213可沿著形成於平衡桿218内部的鑽孔 212而垂直地移動。基底構件2〇8係大致為一圓板其具 有一大致平行於待裝載於其上之基材2〇4的底面2〇9。複 數個凹部210可形成在底面2〇9上。 一彈性膜205通常係夾鉗於基底構件2〇8之底面2〇 上。彈性膜205提供一安裝表面223，且安裝表面223具 有與基材約略相同的尺寸’而用以將基材安裝於其上。拜 性膜205與基底構件208可形成多個腔室，例如—中央锻 室206與-邊緣腔s 2G7。於—實施例中基底構件 係呈碟狀’中央腔室206實質上與基底構件2〇8具有類似 之形狀’邊緣腔室207則為圍繞基底構件2〇8的環狀管。 10 藉由形成於基底構件208内之通道225與224，流體則可 被唧打或抽吸進出中央腔室206與邊緣腔室207。彈性膜 205與安裝表面223可藉由將流體唧打入中央腔室206中 而下降。彈性膜2〇5與安裝表面223可藉由將流體抽出中 央腔室206而向内彎曲如弓形。邊緣腔室2〇7係設置以藉 由唧打或抽吸流體以進/出邊緣腔室2〇7，而可推動/吸引安 裝表面223之邊緣區域。 基材支撐件201通常係設置以支撐基材204，而使其 背面202面對承載頭2〇〇。於一實施例中，基材支撐件2〇1 包括具有降低微粒污染的支撐面203之座台233，其係用 以將基材204容設於其中。於一實施例中，基材支撐件2〇1 包含複數個可伸縮的插銷230，該些插銷23〇係位於形成 在座台233中且於支撐面203呈開啟的複數個插銷孔231 中。每一個可伸縮的插銷230可耦接至-彈簧232。於一 實施例中’可伸縮的插銷230係延伸至支撐面203上方以 形成一屏障而避免基材204之橫向移動，複數個可伸縮的 插銷230使基材204保持於一位置内，以便基材204於裝 載或卸載期間與承載頭200保持對準。於另一實施例中， 可伸縮的插銷230可藉由其他適合的構件（例如：氣動控 制）而延伸至支撐面203上方，並且縮回到支撐面2〇3下 方。 第6圖係概要繪示基材支撐件2〇1之上視圖。複數個 可伸縮的插銷230係排列為環狀，以形成一限制而將基材 204保持於其内，係如第6圖所示。於一實施例中，有.6 1354347 個可伸縮的插銷2 3 0平均地沿著圓圈而分佈，而該圓圈之 直徑係等於或略大於基材204之外徑》於另一實施例尹， 有3個可伸縮的插銷230形成一環狀以限制基材204· 請往回參照第2圖。當彈簧232.處於其正常位置時， 複數個可伸縮的插銷230係延伸至支撐面203上方，以將 基材保持於其内。於裝載或卸載期間，承載頭2〇〇的定位 環211係與複數個可伸縮的插銷23〇接觸，並且壓迫彈簧 232而使得可伸縮的插銷23〇收縮。於一實施例中，複數 個可伸縮的插銷230可縮回而使得每一個可伸縮的插銷 230之頂端與座台23 3之支撐面203為齊平，如第3圖所 示。 於另一實施例中’基材支撐件2〇1可以是一個負載杯 (load cup) ’其具有環狀突唇而設置以於邊緣附近支撐基材 2 04 ’以及具有加壓流體而於接近中央處支撐基材2〇4。在 美國專利申請序號第10/988 647號（於2〇〇4年n月15 日申清，專利名稱為「用於化學機械研磨的負載杯」），以 及美國專利申請序號第1〇/6213〇3號（於2〇〇3年7月16 曰申S青，專利名稱為「用於化學機械研磨的負載杯」）中係 包括關於負載杯的詳細描述，並在此將其全文納入以供參 考。 如第2圖所示’在將基材2〇4裝載於安裝表面223之 前’先將中央腔室206與邊緣腔室2 〇7排空。為了裝載基 材204’承載頭200與基材支撐件2〇1係朝向彼此而移動， 以進入裝載位置，如第3圖所示。基材2〇4藉由複數個可 12 丄354347 伸縮的播銷230而保持於一位置，以使基材204與承載頭 200保持對準。於裝載位置時，承載頭200接近基材支樓 件2〇1’以使得基材204位於承載頭200的定位環211内。 於裝載位置時’基材204係推抵承載頭200，以致彈性膜 Λ Λ ^ 以—受控力推抵基底構件208的底面209。當基材204 移動至裝載位置而迫使更多的流體排出中央腔室2〇6時， 中央腔室206可再被排空》於裝載位置，基材2〇4的背面

2〇2係完全地與彈性膜205的安裝表面223接觸，且彈性 膜2〇5係與基底構件2〇8的底面2〇9接觸，藉此，基材2〇4 係由基底構件208所支撐。於一實施例中，將基材2〇4移 動至裝载位置的實施方式包括：使基材支撐件2〇1升高、 使承栽頭200下降、使基底組件22〇下降、或是上述方式 之、，且合。於一實施例中’基材204係利用約30磅的力而推 抵承载頭200。

^在基材204移至裝載位置後，基材204可利用邊緣 室207與中央腔室2〇6而裝載。第4圖係概要繪示處於 材已载入位置之承載頭200的剖面視圖。於一實施例中 二載程序可以兩步驟實施。首先，將流體听打人邊緣腔 207中，以使邊緣腔室2〇7膨脹。在已膨脹之邊緣腔室2 内的流體壓力會推動彈性膜2Q5而使其在邊緣處抵靠基 204的背面202’因此在基材204與彈性膜2〇5之間形成 封。當密封形成後，流體被抽出中央腔$ 2〇6，以使部 =彈性膜205縮入複數個凹部21〇中，因而在背面2〇2 文裝表面223之間形成複數個真空區 13 1354347 pocket)226。真空區226係提供一吸力，且基材 • 舉離開基材支撐件201而裝載在承載頭2〇〇上。 . 因為在將基材204放置於裝載位置之前，中$ 已被排空’且當基材204推抵基底構件208時， 206則再進一步的被排空，因此，為了形成真空 需要自中央腔室2 06中所抽吸出的流體體積減少 短裝載所需的時間》 由於基材204不僅於接近邊緣處藉由膨脹之 - 207所支撲，亦在中央處藉由基底構件2〇8所支 基材204在裝載過程中係維持平坦而不彎曲。 第5圖係說明依據本發明之一實施例的基材 • 3〇〇的流程圖。基材裝載程序300可用於將基材 載頭上，該承載頭具有一裝設於基底構件上的彈 中該彈性膜係形成至少一中央腔室與—邊緣腔室 於步驟3 10中，彈性膜係被排空。彈性膜之 括抽空中央腔室與邊緣腔室。對於以氣體膨脹之 • 空操作可僅藉由將腔室連接至大氣環境而可達成 在步驟320 _，使待裝載之基材朝向承载頭 動基材的實施方式包括：將基材支撐# (基材係 上）升高 '使承載頭下$、使承載頭之基底構件 -. 上述方式之組合。 於步驟3 30中，基材係持續移動，且以—受 彈性臈，因而進一步地排空彈性膜之中央腔室。 在步驟3 40巾’當彈㈣完全與基底構件接 204可升 ；：腔室206 中央腔室 區2 2 6而 ，因而縮 邊緣腔室 撐，因此 裝載程序 裝載於承 性膜，其 〇 排空可包 腔室，排 0 移動。移 放置於其 下降、或 控力推抵 觸時，即 14 1354347 停止基材的移動。於一實施例中，一壓力感測器係設置於 基底構件上，以決定停止移動基材之終點。於另一實施例 中，當已達到一預定之臨界推力時，則可以停止移動基材。 在步驟350中，邊緣腔室係膨脹而於基材與彈性膜之 間形成密封。可設定邊緣腔室之一預定壓力以達成所需之 密封。

在步驟360中，將真空施加至中央腔室，以在基材與 彈性膜之間形成多個吸盤（suction cup)，因而真空吸引住 基材。真空源（例如幫浦）係用於將流體自已排空之中央 腔室抽出。 值得注意的是，雖然本發明之基材裝載程序係依據用 於研磨系統之一承載頭進行描述，然任何熟習此技藝者 可應用本發明於其他系統之基材裝載步驟。 任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 内，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附 之申請專利範圍所界定者為準。

【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1 A-B圖係概要繪示用於目前技藝系統之一基材裝 載過程。 第2圖係概要繪示依據本發明之一實施例的承載頭與 基材支樓件之剖面視圖 15 1354347 第3圖係概要繪示第2圖之承載頭處於基材裝載位置 之剖面視圖。 第4圖係概要繪示第2圖之承載頭處於基材已載入位 置之剖面視圖。 第5圖說明依據本發明之一實施例的基材裝載程序之 流程圖。 第6圖係概要繪示依據本發明之一實施例的基材支撐 件之上視圖。

【主要元件符號說明】 101 基 材 102 基 底 構 件 1 03 中 央 腔 室 1 04 邊 緣 腔 室 105 彈 性 膜 106 安 裝 表 面 107 背 側 200 承 載 頭 201 基 材 支 撐件 202 背 面 203 支 撐 面 204 基 材 205 彈 性 膜 206 中 央 腔 室 207 邊 緣 腔 室 208 基 底 構 件 209 底 面 210 凹 部 2 11 定 位 環 212 鑽 孔 2 13 基 桿 214 外 殼 215 夾 環 2 16 膜 片 2 17 夾 環 218 平 衡 桿 219 鑽 孔 220 基 底 組 件

16 1354347 221 負載室 222 環狀 223 安裝表面 224,225 通道 226 真空區 230 插銷 23 1 插銷孔 232 彈簧 233 座台 300 程序 3 1 0,320,3 30,340,350,360 步驟

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Claims (1)

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十、申請專利範圍： 1. 一種用於裝載一基材之方法，包含： 提供一基底構件’該基底構件係設置以支樓該基材； 提供一彈性膜，該彈性膜係裝設於該基底構件上，其 中該彈性膜與該基底構件形成一中央腔室，且該彈性膜係 沿著該基底構件之周圍而形成一邊緣腔室；

推動該基材而使其抵靠該彈性膜，以協助排空該中央 腔室； 在真空吸引該基材之前，使該邊緣腔室膨脹而於該基 材與該彈性膜之間形成一密封；以及 藉由抽空該中央腔室品使該基材真空吸引至該彈性 膜上。 2...如申請專利範圍第.1項所述之方法，其更包含在上述之 推動該基材的步驟之前_，.排空該中央腔室與該邊緣腔室。

-- ··· . - 3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包含在上述之 推動該基材的步驟之前，排空該中央腔室。 4.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之推動該 基材的步驟係利用一受控力來進行。 18 乂如申請專利範園第1項所述 矛 之方法，其中上述之推動該 基材而使其抵靠該彈性媒的步驟包含：推動該基材直到該 彈性臈與該基底構件之一底面接觸為止。 6. 如申請專利範固帛i項所述之方法’更包含提供一基材 支撑件，該基材支樓件係設置以推動該基材而使其抵靠該 彈性膜。 7. —種用於真空吸引一基材的方法，包含： 排二彈14膜的—中央腔室，該彈性媒係設置以安裝 一基材； 排空該彈性膜之一邊緣腔室； 移動該基材，以致該基材之一背側與該彈性膜完全接 觸； 在對該中央腔至進行抽真空之前，使該邊緣腔室膨脹 以於該基材與該彈性骐之間形成一密封 對該中央腔至進行抽真空，以使該基材之該背側真空 吸引至該彈性膜上。 8. 如f請專利範B$7項戶斤述之方法，其更包含將一基材 以一面朝下之位置而放置於一基材支撐件上。 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其令上述之移動該 19 1354347 P啤b月t6日修(更)正 基材的步驟包含： 將該基材升舉而朝向該彈性膜；以及 推動該基材而使其抵靠該彈性膜’以迫使該中央腔室 排空。 10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中上述之升舉與 推動該基材的步驟係藉由該基材支撐件來進行。 11. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包含當藉由該彈 性膜而施加一預定力於該基材上時，則停止該基材。 12. —種用於裝载—基材的方法，包含： 提供一基底構件’該基底構件係設置以支撐該基材； 提供一彈性膜’該彈性膜係裝設於該基底構件上，其 中該彈性膜與該基底構件形成一中央腔室，且該彈性膜係 沿著該基底構件之周圍而形成一邊緣腔室； 在推動該基材之前，排空該中央腔室與該邊緣腔室； 推動該基材而使其抵靠該彈性膜，以協助排空該中央 腔室；以及 藉由抽空該中央腔室，以使該基材真空吸引至該彈性 膜。 13. 如申請專利範圍第12項所述之方法其中推動該基材 20 1354347 月 β5'ί|·ί 憂)」 而使其抵靠該彈性膜之步驟包含： 將該基材置於一基材支撐件上： 升舉該基材支撐件及/或降下該基底構件，以推動該 基材使其抵靠該彈性膜。 14.如申請專利範圍第13項所述之方法，其中推動該基材 使其抵靠該彈性膜之步驟更包含：

在一終點停止。 15.如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該終點是由 位在該基底構件中的一壓力感測器所決定。 1 6.如申請專利範圍第1 4項所述之方法，其中該終點是在 到達一預定的臨界推力時。

17.如申請專利範圍第14項所述之方法，其更包含： 在真空吸引該基材之前，使該邊緣腔室膨脹而於該基 材與該彈性膜之間形成一密封。 21